JP5736600B2 - 被覆切削工具 - Google Patents
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Description
この発明は耐欠損性に優れた被覆切削工具に関するもので、例えば鋼や鋳鉄などの重切削は勿論のこと、これらのフライス切削や断続切削に用いた場合にも優れた耐欠損性を発揮する被覆切削工具に関する。
従来、炭化タングステン基超硬合金（以下、ＷＣ基超硬合金）基材の表面に例えばＴｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物並びに酸化アルミニウムの中の１種の単層膜または２種以上の複層膜からなる被膜を化学蒸着法により３〜２０μｍの総膜厚で蒸着形成してなる被覆切削工具が鋼などの切削加工に用いられていることは良く知られている。
通常、ＷＣ基超硬合金の表面に被膜を形成すると、被膜に引張応力が残留するために、被覆切削工具の破壊強度が低下して欠損し易くなるとされている。これまで、被膜形成後ショットピーニング等によりクラックを発生させることにより、引張残留応力を開放することが提案され、かなりの効果が得られている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照。）。しかし、工具の用途や使用条件によっては、さらに高い耐欠損性が求められることがある。
片山、外４名、日本金属学会会報、１９９１年、３０巻、４号、ｐ．298−300
近年の切削加工に対する省力化および省エネ化の要求は強く、これに伴い、切削加工は高速化の傾向にあるが、上記の従来被覆切削工具において切削条件の厳しい高速の断続切削、すなわち切刃稜線部に極めて短いピッチで繰り返し機械的衝撃が負荷される高速断続切削に用いた場合、被膜に欠損やチッピングが発生し易く、短時間で使用寿命に至るという問題がある。
従来、化学蒸着法により形成された被膜の引張残留応力を開放する方法として、ショットピーニングによる方法が知られている。しかし、被膜表面に対して９０°の投射角度で乾式ショットブラストを行った被覆切削工具を用いて、切削試験を行ったところ耐欠損性が不十分であった。本発明は耐チッピング性および耐欠損性に優れる被覆切削工具を提供することを目的とする。
本発明者は、上述の観点から、被覆切削工具の耐欠損性の向上をはかるべく研究を行った結果、以下の構成にすると、耐チッピング性および耐欠損性が大幅に向上するという知見を得た。
すなわち、本発明の要旨は、以下の通りである。
（１）ＷＣ基超硬合金の基材と、基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とからなり、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に位置する切刃稜線部とを備え、被膜全体の総膜厚は平均膜厚で３〜２０μｍであり、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に、クラックの進展角度が被膜の表面に対して４５°以下の斜めクラックが１本以上存在することを特徴とする被覆切削工具。
（２）斜めクラックの進展深さが被膜の表面から０．３〜２μｍである（１）に記載の被覆切削工具。
（３）被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が２０μｍ以上１００μｍ以下である（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が４０μｍ以上６０μｍ以下である（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）被膜の少なくとも１層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種からなるＴｉ化合物膜である（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）被膜の少なくとも１層は、酸化アルミニウム膜である（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）被膜が、基材に接する内膜の少なくとも１層がＴｉ化合物膜であり、内膜より表面側に形成される外膜の少なくとも１層がＡｌ２Ｏ３膜であり、Ｔｉ化合物膜とＡｌ２Ｏ３膜との間に、Ｔｉ化合物膜およびＡｌ２Ｏ３膜と接して、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物、並びにＴｉとＡｌとを含む炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種の化合物からなる密着膜からなる（１）〜（６）のいずれかの被覆切削工具。
（８）斜めクラックが、１本以上、５０本以下存在する（１）〜（７）のいずれかの被覆切削工具。
（９）斜めクラックが、３本以上、３０本以下存在する（１）〜（８）のいずれかの被覆切削工具。
（１０）クラックが、乾式ショットブラストまたはショットピーニングにより形成されたものである（１）〜（９）のいずれかの被覆切削工具。
（１１）クラックが、投射材を被膜の表面に対して投射角度が３０〜４５°になるように投射することにより形成されたものである（１）〜（１０）のいずれかの被覆切削工具。
（１２）クラックが、投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度で投射することにより形成されたものである（１）〜（１１）のいずれかの被覆切削工具。
（１３）投射材が、平均粒径１００〜１５０μｍで、ビッカース硬度が１０００以上の材料からなる（１１）または（１２）の被覆切削工具。
（１４）投射材が、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２から成る（１１）〜（１３）のいずれかの被覆切削工具。
（１）ＷＣ基超硬合金の基材と、基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とからなり、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に位置する切刃稜線部とを備え、被膜全体の総膜厚は平均膜厚で３〜２０μｍであり、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に、クラックの進展角度が被膜の表面に対して４５°以下の斜めクラックが１本以上存在することを特徴とする被覆切削工具。
（２）斜めクラックの進展深さが被膜の表面から０．３〜２μｍである（１）に記載の被覆切削工具。
（３）被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が２０μｍ以上１００μｍ以下である（１）または（２）の被覆切削工具。
（４）被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が４０μｍ以上６０μｍ以下である（１）〜（３）のいずれかの被覆切削工具。
（５）被膜の少なくとも１層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種からなるＴｉ化合物膜である（１）〜（４）のいずれかの被覆切削工具。
（６）被膜の少なくとも１層は、酸化アルミニウム膜である（１）〜（５）のいずれかの被覆切削工具。
（７）被膜が、基材に接する内膜の少なくとも１層がＴｉ化合物膜であり、内膜より表面側に形成される外膜の少なくとも１層がＡｌ２Ｏ３膜であり、Ｔｉ化合物膜とＡｌ２Ｏ３膜との間に、Ｔｉ化合物膜およびＡｌ２Ｏ３膜と接して、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物、並びにＴｉとＡｌとを含む炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種の化合物からなる密着膜からなる（１）〜（６）のいずれかの被覆切削工具。
（８）斜めクラックが、１本以上、５０本以下存在する（１）〜（７）のいずれかの被覆切削工具。
（９）斜めクラックが、３本以上、３０本以下存在する（１）〜（８）のいずれかの被覆切削工具。
（１０）クラックが、乾式ショットブラストまたはショットピーニングにより形成されたものである（１）〜（９）のいずれかの被覆切削工具。
（１１）クラックが、投射材を被膜の表面に対して投射角度が３０〜４５°になるように投射することにより形成されたものである（１）〜（１０）のいずれかの被覆切削工具。
（１２）クラックが、投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度で投射することにより形成されたものである（１）〜（１１）のいずれかの被覆切削工具。
（１３）投射材が、平均粒径１００〜１５０μｍで、ビッカース硬度が１０００以上の材料からなる（１１）または（１２）の被覆切削工具。
（１４）投射材が、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２から成る（１１）〜（１３）のいずれかの被覆切削工具。
本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性に優れる。本発明の被覆切削工具を用いると工具寿命を延長できるという効果が得られる。
本発明の被覆切削工具は、ＷＣ基超硬合金の基材と化学蒸着法によって基材の表面に形成された被膜とからなる。本発明のＷＣ基超硬合金は、ＷＣ、または、ＷＣとＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷの炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体（ただし、ＷＣを除く）の中の少なくとも１種からなる硬質相形成粉末と、Ｃｏの結合相形成粉末との混合粉末を焼結して得られたＷＣ基超硬合金である。本発明のＷＣ基超硬合金は、ＷＣの硬質相と結合相、または、ＷＣの硬質相とＴｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、ＭｏおよびＷから選択された少なくとも１種の金属（又は元素）の炭化物、窒化物、炭窒化物およびこれらの相互固溶体から成る群より選択された少なくとも１種からなる硬質相と結合相とで構成される。
本発明の被膜は、化学蒸着法によって形成される。化学蒸着法によって形成すると基材と被膜との密着強度を高くすることができる。これは、化学蒸着法の被覆温度が高く、基材と被膜との界面で拡散が生じるためと考えられる。そのため、化学蒸着法によって耐摩耗性に優れた被膜を形成すると、耐摩耗性に優れた被覆切削工具が得られる。
本発明の被膜は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、ＡｌおよびＳｉから選択された少なくとも１種の金属（又は元素）の炭化物、窒化物、酸化物、炭窒化物、炭酸化物、窒酸化物、炭窒酸化物およびホウ化物から成る群より選択された少なくとも１種からなる化合物膜の少なくとも１層で構成される。ＷＣ基超硬合金基材の表面に化合物膜を形成すると、基材から化合物膜中に基材成分、例えばＷ、Ｃ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｖなどが拡散する場合もあるが、この場合でも本発明の本質的な効果は変わらない。
本発明の被膜は、１層からなる単層膜、２層以上が積層した複層膜のいずれも好ましい。本発明の被膜の少なくとも１層を、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種からなるＴｉ化合物膜にすると、耐摩耗性と靭性とのバランスをより高めることができるので、さらに好ましい。
本発明の被膜の少なくとも１層を酸化アルミニウム膜（以下、Ａｌ２Ｏ３膜）とすると、耐クレーター摩耗性が向上するので、さらに好ましい。Ａｌ２Ｏ３膜の結晶型は特に限定されず、α型、β型、δ型、γ型、κ型、χ型、擬τ型、η型およびρ型等が挙げられる。これらの中でも、Ａｌ２Ｏ３膜の結晶型は、高温で安定なα型、または密着膜とＡｌ２Ｏ３膜との密着性に優れるκ型であると好ましい。特に炭素鋼や合金鋼の高速切削など切削に関与する領域が高温になる場合において、Ａｌ２Ｏ３膜がα型Ａｌ２Ｏ３膜であると欠損やチッピングを起こしにくくなる。
本発明の被膜の基材に接する内膜の少なくとも１層がＴｉ化合物膜であり、本発明の内膜より表面側に形成される外膜の少なくとも１層がＡｌ２Ｏ３膜であり、Ｔｉ化合物膜とＡｌ２Ｏ３膜との間に、Ｔｉ化合物膜およびＡｌ２Ｏ３膜と接して、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物、並びにＴｉとＡｌとを含む炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種の化合物からなる密着膜があると、Ｔｉ化合物膜とＡｌ２Ｏ３膜との密着性を向上させ、耐摩耗性、靭性および耐クレーター摩耗性を向上させることができるので、さらに好ましい。密着膜として具体的には、ＴｉＣＯ、ＴｉＮＯ、ＴｉＣＮＯ、ＴｉＡｌＣＯ、ＴｉＡｌＮＯおよびＴｉＡｌＣＮＯなどを挙げることができる。その中でも密着膜はＴｉとＡｌとを含む炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種からなる化合物であるとさらに好ましく、その中でも密着膜はＴｉとＡｌとを含む炭窒酸化物であるとさらに好ましい。
本発明の被膜全体の総膜厚は、平均膜厚で３μｍ未満になると耐摩耗性が低下し、平均膜厚で２０μｍを超えると切刃稜線部がチッピングしやすくなる。そのため本発明の被膜全体の総膜厚を平均膜厚で３〜２０μｍとした。その中でも被膜全体の総膜厚は平均膜厚で３．５〜１８μｍであることがさらに好ましい。
＜内膜＞
本発明の内膜は超硬合金基材の表面に化学蒸着法によって形成される。内膜の平均膜厚は、１．５μｍ未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、１５μｍを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため本発明においては、内膜の平均膜厚を１．５〜１５μｍとすると好ましく、その中でも、内膜の平均膜厚を２〜１３μｍとすると、さらに好ましい。
本発明の内膜は超硬合金基材の表面に化学蒸着法によって形成される。内膜の平均膜厚は、１．５μｍ未満であると被覆切削工具の耐摩耗性が低下し、１５μｍを超えると被膜の剥離を起点としたチッピングが発生しやすくなる。そのため本発明においては、内膜の平均膜厚を１．５〜１５μｍとすると好ましく、その中でも、内膜の平均膜厚を２〜１３μｍとすると、さらに好ましい。
＜外膜＞
本発明の外膜の平均膜厚は、１．１μｍ未満であると本発明の被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が１０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、上部膜の平均膜厚を１．１〜１０μｍとすると好ましい。
本発明の外膜の平均膜厚は、１．１μｍ未満であると本発明の被覆切削工具のすくい面における耐クレーター摩耗性が向上せず、一方平均膜厚が１０μｍを超えると刃先が欠損しやすくなる。このことから、上部膜の平均膜厚を１．１〜１０μｍとすると好ましい。
＜密着膜＞
本発明の密着膜の平均膜厚は、０．４μｍ未満であると本発明被覆切削工具の密着性が向上せず、また平均膜厚が２μｍを超えると密着膜自体の強度が低下するため、密着膜の平均膜厚を０．４〜２μｍとすると好ましい。
本発明の密着膜の平均膜厚は、０．４μｍ未満であると本発明被覆切削工具の密着性が向上せず、また平均膜厚が２μｍを超えると密着膜自体の強度が低下するため、密着膜の平均膜厚を０．４〜２μｍとすると好ましい。
化学蒸着法によって被膜を形成すると、被膜は引張残留応力に耐え切れなくなり、被膜の表面に対してほぼ垂直な方向にクラックが発生し、クラックは被膜の表面から基材まで到達する。また、乾式ショットブラスト等の機械的処理は、被膜に存在する引張残留応力の開放を目的の一つとして行われるが、乾式ショットブラスト等の機械的処理によっても被膜にクラックが発生する。被膜に存在するクラックのうち、被膜の表面に対して４５°を超える進展角度に進展したクラックを垂直クラックと呼び、被膜の表面に対して４５°以下の進展角度に進展したクラックを、斜めクラックと呼ぶことにする。本発明の被覆切削工具には、斜めクラックが１本以上存在することが必要であるが、本発明の被覆切削工具には、斜めクラックとともに垂直クラックが存在していても差し支えない。
クラックの進展角度およびクラックの進展深さは、例えば以下のようにして求めることができる。被覆切削工具の破断面のＳＥＭ（走査電子顕微鏡）像の写真または被覆切削工具の断面の鏡面研磨面のＳＥＭ像の写真を撮る。破断面または断面の鏡面研磨面のＳＥＭ像において、図１に示すように、基材１の表面に形成された被膜２表面のクラック５（太線）の起点Ｂと交わるように、被膜２のすくい面３と平行方向の直線Ａを被膜２の表面に引き、表面の直線Ａとクラック５が交わる点Ｂと、クラック５が表面から最も離れた点Ｃを通る線を直線Ｄとする。但し、点Ｃが複数存在する場合、そのなかで点Ｂと点Ｃの距離が最も長い点を点Ｃとする。この直線Ａおよび直線Ｄのなす角θをクラック５の進展角度とする。被膜表面の直線Ａから最も離れた点Ｃまでの被膜表面からの垂直距離ｄを進展深さとする。被膜２の表面と平行な方向に対するクラック５の進展角度が４５°以下である斜めクラック５は、図１のクラック５に示すように、途切れているように見えることがある。これは、斜めクラック５が結晶粒子の粒界を進展した場合に途切れて見えるためではないかと考えられる。従って、途切れているように見えても繋がっているクラックについては、１本の斜めクラックと見なす。本発明の被覆切削工具は、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に進展角度が４５°以下の斜めクラックが１本以上存在すると耐欠損性および耐チッピング性が向上する。その中でも、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に、斜めクラックが５０本を超えて存在すると２本以上の斜めクラックがつながりやすくなり、耐欠損性および耐チッピング性が低下する傾向を示すため、１本以上、５０本以下の斜めクラックが存在すると好ましい。その中でも、斜めクラックが３本以上、３０本以下存在すると耐欠損性および耐チッピング性がさらに向上するのでさらに好ましい。なお、１つの試料につき、１箇所の破断面または１箇所の断面の鏡面研磨面を観察して斜めクラックを確認すればよいが、３箇所以上の破断面または３箇所以上の断面の鏡面研磨面を観察して、そのすべての破断面またはそのすべての断面の鏡面研磨面から、１本以上の斜めクラックを確認できれば、広い範囲で斜めクラックが存在していることが分かる。なお、切刃稜線部の幅はおよそ３０〜７０μｍである。
本発明の被覆切削工具は、図１に示すように、すくい面３と、逃げ面４と、すくい面と逃げ面との間に位置する切刃稜線部（曲面部）とを備え、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面、すなわち、逃げ面４の延長線からすくい面３の方向に３００μｍ以内であって、切刃稜線部を除くすくい面に、クラックの進展角度が４５°以下である斜めクラックが１本以上存在している。切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に、クラックの進展角度が４５°以下である斜めクラックが存在すると、切削時の衝撃で斜めクラックが被膜の表面部を進展しても基材内部までクラックが進展しないので、耐欠損性および耐チッピング性が向上する。また、切刃稜線部から３００μｍを超えるすくい面にも斜めクラックが存在してもよい。なお、本発明の被覆切削工具において、切削時の衝撃で斜めクラックが被膜の表面部を進展することにより、被膜表面に非常に微小な欠けが生じる場合もあるが、チッピングや欠損には至らないので、耐欠損性および耐チッピング性を向上させる本発明の効果は変わらない。
本発明の被覆切削工具において、斜めクラックの進展角度を４５°以下にしたのは、クラックの進展角度が４５°を超えて大きくなると、切削時に被膜のクラックが基材に進展し、より大きなチッピングが生じ易く、加工初期に欠損が生じ易くなるためである。そのため、斜めクラックの進展角度を４５°以下とした。
本発明の被覆切削工具において、斜めクラックの進展深さを被膜の表面から深さ方向に０．３〜２μｍとすると好ましい。斜めクラックの進展深さが０．３μｍ未満では、耐欠損性および耐チッピング性を向上させる効果が十分に得られにくい。逆に斜めクラックの進展深さが２μｍを超えて大きくなると、切削時に被膜内部もしくは複層膜の被膜を構成する層と層の界面で剥離が生じ、微小な欠けを生じる傾向が見られるためである。
被膜の表面部に斜めクラックを入れる方法としては、乾式ショットブラスト、ショットピーニングなどの機械的衝撃を与える方法を挙げることができる。乾式ショットブラストまたはショットピーニングを用いた場合、被膜の表面に対して投射角度が３０〜４５°になるように投射材を投射することにより、クラックの進展角度を４５°以下にすることができる。その中でも、投射角度が３５〜４０°であるとさらに好ましい。投射角度が３０°未満の場合、十分な残留応力開放エネルギーを与えることができず、４５°を超えて大きい角度ではクラックの進展角度が４５°を超えて大きくなり、耐欠損性および耐チッピング性が大幅に低下してしまう。その中でも、乾式ショットブラストまたはショットピーニングによる方法において、平均粒径１００〜１５０μｍの硬度の高い投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度、３〜６０ｓｅｃの投射時間で投射するとさらに好ましい。その中でも、平均粒径１２０〜１４０μｍの硬度の高い投射材を６０〜７０ｍ／ｓｅｃの投射速度、５〜３０ｓｅｃの投射時間で投射するとより好ましい。これは、鋼球（ビッカース硬度Ｈｖ：２００〜６００）などの硬度が低い投射材を用いて３０〜４５°の投射角度で乾式ショットブラストまたはショットピーニングを行った場合、試料に衝突した時に投射材が弾性変形してしまうため、十分な残留応力開放エネルギーを与えることができないので、硬度が高く弾性変形しにくい投射材が好ましい。硬度の高い投射材として、具体的には、Ｈｖ１０００以上の投射材を挙げることができ、例えば、Ａｌ２Ｏ３製投射材（Ｈｖ：１８００〜２０００）やＺｒＯ２製投射材（Ｈｖ：１２５０〜１３００）等を挙げることができる。また、投射材の平均粒径が１００μｍ未満あるいは投射速度が５０ｍ／ｓｅｃ未満になると十分な残留応力開放エネルギーを与えることができず、投射材の平均粒径が１５０μｍを超えるとあるいは投射速度が８０ｍ／ｓｅｃを超えると、工具の切刃稜線部にチッピングを生じさせる場合がある。
被膜の表面におけるクラック間隔の平均値は、２０μｍ以上１００μｍ以下が好ましい。被膜の表面におけるクラック間隔の平均値をこのような間隔にすると、引張残留応力を効果的に低減することが可能となり、耐欠損性および耐チッピング性をさらに向上させることができる。クラック間隔の平均値が２０μｍ未満になると、被膜が剥離し易くなる傾向が見られ、逆にクラック間隔の平均値が１００μｍを超えて大きくなると、引張残留応力エネルギーの開放が不十分なため切削時の耐欠損性および耐チッピング性が向上しにくくなる傾向が見られるので、クラック間隔の平均値は２０μｍ以上１００μｍ以下であると好ましい。その中でも、クラック間隔の平均値は４０μｍ以上６０μｍ以下であるとさらに好ましい。
被膜の表面におけるクラック間隔の測定方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。クラック間隔を測定する被膜の表面を鏡面研磨し、フッ硝酸にてエッチングすると、クラックを容易に観察することができる。フッ硝酸を完全に除去した後に鏡面研磨面を７５〜１５０倍の倍率で光学顕微鏡にて光顕写真を撮影する。得られた光顕写真に数本の直線を引き、クラックとその直線の交点間の距離を求め、それをクラック間隔とする。少なくとも５０箇所のクラック間隔を求め、それらの値からクラック間隔の平均値を求めることができる。
本発明の被覆切削工具の製造方法として、例えば、以下の方法を挙げることができる。ＷＣ基超硬合金の基材を用意し、基材の表面に化学蒸着法で被膜を形成する。例えば、ＴｉＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：５．０〜１０．０ｍｏｌ％、Ｎ２：２０〜６０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：１００〜３５０ｈＰａとする化学蒸着法で得ることができる。また、ＴｉＣＮ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：１０〜１５ｍｏｌ％、ＣＨ３ＣＮ：１〜３ｍｏｌ％、Ｎ２：０〜２０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：８５０〜９２０℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で得ることができる。
α型Ａｌ２Ｏ３膜は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：２．５〜４．０ｍｏｌ％、ＨＣｌ：２．０〜３．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．２８〜０．４５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で得ることができる。
κ型Ａｌ２Ｏ３膜は、原料ガス組成をＡｌＣｌ３：２．１〜５．０ｍｏｌ％、ＣＯ２：３．０〜６．０ｍｏｌ％、ＣＯ：３．０〜５．５ｍｏｌ％、ＨＣｌ：３．０〜５．０ｍｏｌ％、Ｈ２Ｓ：０．３〜０．５ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９００〜１０００℃、圧力：６０〜８０ｈＰａとする化学蒸着法で得ることができる。
ＴｉＡｌＣＮＯ膜は、原料ガス組成をＴｉＣｌ４：３．０〜５．０ｍｏｌ％、ＡｌＣｌ３：１．０〜２．０ｍｏｌ％、ＣＯ：０．４〜１．０ｍｏｌ％、Ｎ２：３０〜４０ｍｏｌ％、Ｈ２：残りとし、温度：９７５〜１０２５℃、圧力：９０〜１１０ｈＰａとする化学蒸着法で得ることができる。
ＷＣ基超硬合金の基材の表面に被膜を形成した後、乾式ショットブラストまたはショットピーニングを用いて、被膜の表面に対して投射角度が３０〜４５°になるように投射材を投射すると、本発明の被覆切削工具を製造することができる。このとき、平均粒径１００〜１５０μｍの硬度の高い投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度で投射するとさらに好ましい。
平均粒径４．５μｍのＷＣ粉：８９重量％と、平均粒径１．５μｍのＴｉＣＮ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍの（Ｔａ，Ｎｂ）Ｃ粉：２重量％と、平均粒径１．５μｍのＣｏ粉：７重量％とからなる混合粉末を焼結してＷＣ−（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｎｂ）（Ｃ，Ｎ）−Ｃｏ系のＷＣ基超硬合金を得た。そのＷＣ基超硬合金をＩＳＯ規格ＣＮＭＧ１２０４１２形状のインサートに加工して、それを基材とした。なお、ＷＣ基超硬合金基材の表面近傍には、ＷＣとＣｏのみからなる脱β層が形成されている。逃げ面における脱β層の厚みは１５μｍであった。このＷＣ基超硬合金基材の表面に化学蒸着法で表１に示す膜構成の被膜を形成した。なお、表１の第４層（Ａｌ２Ｏ３膜）における（α）はα型Ａｌ２Ｏ３膜を表し、（κ）はκ型Ａｌ２Ｏ３膜を表す。
このようにして得た被覆切削工具にそれぞれ乾式ショットブラストを施した。乾式ショットブラスト条件は、平均粒径１５０μｍのＡｌ２Ｏ３製投射材（Ｈｖ:１８００〜２０００）を被膜の表面に対して、表２に示す条件で投射したものであり、クラックの進展角度および進展深さが異なる被覆切削工具を得た。
試料の被覆切削工具を破断し、その破断面のＳＥＭ像の写真から、被覆切削工具のクラックの進展深さ、進展角度および本数を測定した。表３および表４には、各試料について、被膜の表面から被膜の途中まで進展したクラックの進展深さと進展角度を示した。表５および表６には、各試料について、被膜の表面から被膜の途中まで進展したクラックの本数を示した。すなわち、表３、表４および表５の測定結果は、被膜の表面から基材まで到達したクラックの測定結果を含んでいない。なお、比較品７は、被膜の表面から被膜の途中まで進展したクラックが観察されなかった。
クラック間隔を測定する被膜表面を鏡面研磨し、フッ硝酸にてエッチングしてクラックを観察した。フッ硝酸を完全に除去した後に鏡面研磨面を７５〜１５０倍の倍率で光学顕微鏡にて光顕写真を撮影した。得られた光顕写真に数本の直線を引き、クラックとその直線の交点間の距離を求め、それをクラック間隔とした。５０箇所のクラック間隔を測定し、それらの値からクラック間隔の平均値を求めた。表７および表８に各試料の被膜の表面におけるクラック間隔の平均値を示した。
被覆切削工具を用いて切削試験を行った。Ｓ５３Ｃ（硬さ：ＨＢ２４０）を被削材に使用した。被削材の形状は、直径１８０ｍｍ×厚さ６０ｍｍの円盤状の中心に直径５０ｍｍの穴があり、図２に示されるように、中心から外径側に向かって４本の凸部（凸部の縁と隣の凸部の縁がなす角度は８０°である。）が設けられた形状とした。切削試験では、下記の切削条件で被削材に対して端面切削を行った。
［切削条件］
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削雰囲気：湿式（水溶性エマルジョン使用）、
最大衝撃回数：２５６００回（被削材１個当たり６４００回）、
試験回数：４回
切削速度：２００ｍ／ｍｉｎ、
切込み：１ｍｍ、
送り：０．３ｍｍ／ｒｅｖ、
切削雰囲気：湿式（水溶性エマルジョン使用）、
最大衝撃回数：２５６００回（被削材１個当たり６４００回）、
試験回数：４回
衝撃回数が６４００回、１２８００回、１９２００回、２５６００回になる毎に、欠損の発生を確認した。凸部に触れた回数が衝撃回数となる。なお、被削材が１回転する間に、被覆切削工具が被削材の凸部に４回触れる。表９および表１０には欠損が生じた衝撃回数およびその平均回数を示した。
表９および表１０に示す結果から、クラックの進展角度が４５°以下ある斜めクラックが１本以上存在する発明品は比較品よりも、欠損に至る衝撃回数の平均回数が２倍以上に伸びており、大幅に耐欠損性が優れることが分かった。すなわち、発明品は比較品よりも工具寿命が大幅に長いことが分かる。
本発明の被覆切削工具は、耐チッピング性および耐欠損性に優れるため、本発明の被覆切削工具を用いると工具寿命を延長できるという効果が得られる。
１基材
２被膜
３すくい面
４逃げ面
５斜めクラック
６凸部
７凹部
２被膜
３すくい面
４逃げ面
５斜めクラック
６凸部
７凹部
Claims (12)
- ＷＣ基超硬合金の基材と、基材の表面に化学蒸着法によって形成された被膜とからなり、すくい面と、逃げ面と、すくい面と逃げ面との間に位置する切刃稜線部とを備え、被膜全体の総膜厚は平均膜厚で３〜２０μｍであり、切刃稜線部から３００μｍ以内のすくい面に、クラックの進展角度が被膜の表面に対して４５°以下の斜めクラックが１本以上存在し、
斜めクラックの進展深さが被膜の表面から０．３〜２μｍであり、
被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が２０μｍ以上１００μｍ以下である、被覆切削工具。 - 被膜の表面におけるクラック間隔の平均値が４０μｍ以上６０μｍ以下である請求項１に記載の被覆切削工具。
- 被膜の少なくとも１層は、Ｔｉの炭化物、窒化物、炭窒化物、炭酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種からなるＴｉ化合物膜である請求項１または請求項２に記載の被覆切削工具。
- 被膜の少なくとも１層は、Ａｌ ２ Ｏ ３ 膜である請求項１〜３のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 被膜が、基材に接する内膜の少なくとも１層がＴｉ化合物膜であり、内膜より表面側に形成される外膜の少なくとも１層がＡｌ２Ｏ３膜であり、Ｔｉ化合物膜とＡｌ２Ｏ３膜との間に、Ｔｉ化合物膜およびＡｌ２Ｏ３膜と接して、Ｔｉの炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物、並びにＴｉとＡｌとを含む炭酸化物、窒酸化物および炭窒酸化物から成る群より選択された少なくとも１種の化合物からなる密着膜を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 斜めクラックが、１本以上、５０本以下存在する請求項１〜５のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 斜めクラックが、３本以上、３０本以下存在する請求項１〜６のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- クラックが、乾式ショットブラストまたはショットピーニングにより形成されたものである請求項１〜７のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- クラックが、投射材を被膜の表面に対して投射角度が３０〜４５°になるように投射することにより形成されたものである請求項１〜８のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- クラックが、投射材を５０〜８０ｍ／ｓｅｃの投射速度で投射することにより形成されたものである請求項１〜９のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
- 投射材が、平均粒径１００〜１５０μｍで、ビッカース硬度が１０００以上の材料からなる請求項９または１０に記載の被覆切削工具。
- 投射材が、Ａｌ２Ｏ３またはＺｒＯ２から成る請求項９〜１１のいずれか１項に記載の被覆切削工具。
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